Q355 so với Q390 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Q355 và Q390 là thép kết cấu cường độ cao, được sử dụng rộng rãi trong xây dựng, thiết bị hạng nặng và chế tạo nói chung. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa chi phí vật liệu, khả năng hàn, độ bền và giới hạn chảy thiết kế tối thiểu khi lựa chọn. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc chọn mác thép có chi phí thấp hơn cho khung kết cấu hàn so với việc chọn mác thép có cường độ cao hơn để giảm kích thước tiết diện hoặc trọng lượng dưới cùng một tải trọng.

Điểm khác biệt chính giữa hai loại thép này là ký hiệu cường độ: Q390 được chỉ định có giới hạn chảy tối thiểu cao hơn Q355, điều này dẫn đến sự khác biệt trong quy trình xử lý, chiến lược hợp kim hóa vi mô, kiểm soát độ dẻo dai và thực hành chế tạo. Hai loại thép này thường được so sánh vì chúng nằm trong các bậc cường độ liền kề nhau trong các dòng sản phẩm thép kết cấu và thường cạnh tranh về hiệu suất trên chi phí cho các kết cấu hàn và tạo hình.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn chính mà các cấp độ này xuất hiện hoặc có giá trị tương đương gần đúng:
• GB/T (Trung Quốc): Q355, Q390 (thép kết cấu).
• EN (Châu Âu): có độ bền tương đương ở dòng S355 và S420, nhưng các yêu cầu về hóa học và cơ học thì khác nhau.
• ASTM/ASME (Hoa Kỳ): không có giá trị tương đương trực tiếp chính xác; các cấp phổ biến gần nhất bao gồm ASTM A572 (Cấp 50/60) và A656 (đã chuẩn hóa), nhưng tính tương đương phải được xác minh bằng dữ liệu hóa học và cơ học.

• JIS (Nhật Bản): có những loại thép kết cấu cường độ cao tương tự, nhưng việc tham chiếu chéo trực tiếp một lần nữa đòi hỏi phải xác minh.

• Phân loại:

• Cả Q355 và Q390 đều là thép cacbon kết cấu hợp kim thấp, cường độ cao (nhóm HSLA). Chúng không phải là thép không gỉ hay thép công cụ. Chúng thường dựa vào hàm lượng cacbon được kiểm soát cùng với quá trình vi hợp kim (Nb, V, Ti) và xử lý nhiệt cơ để đạt được sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Lưu ý: Thành phần hóa học thay đổi tùy theo nhà cung cấp, dạng sản phẩm và nền móng cụ thể (ví dụ: Q355A/B/C/D/E). Bảng dưới đây cung cấp thông tin về sự hiện diện và phạm vi điển hình thường gặp trong thép Q355 và Q390 thương mại; hãy kiểm tra giá trị thực tế từ chứng chỉ thử nghiệm nhà máy (MTC) và tiêu chuẩn áp dụng trước khi thiết kế hoặc hàn.

Yếu tố	Q355 (điển hình, mang tính chỉ dẫn)	Q390 (điển hình, mang tính chỉ dẫn)	Vai trò / Hiệu ứng
C (cacbon)	Thấp đến trung bình (khoảng 0,05–0,22%)	Thấp đến trung bình (khoảng 0,06–0,22%)	Tăng độ bền và độ cứng, giảm khả năng hàn và độ dẻo dai khi hàm lượng tăng.
Mn (mangan)	0,6–1,6%	0,6–1,6% (thường cao hơn một chút để tăng độ cứng)	Chất tăng cường, chất khử oxy; tăng khả năng làm cứng và độ bền kéo.
Si (silicon)	0,02–0,5%	0,02–0,5%	Chất khử oxy; ảnh hưởng nhỏ đến độ bền.
P (phốt pho)	≤0,035% (được kiểm soát)	≤0,035%	Tạp chất; hàm lượng P cao làm giảm độ dẻo dai—giữ ở mức thấp.
S (lưu huỳnh)	≤0,035% (được kiểm soát)	≤0,035%	Tạp chất; làm giảm độ dẻo và khả năng gia công nếu nhiều.
Cr (crom)	dấu vết-thấp (nếu có)	dấu vết-thấp (nếu có)	Cải thiện khả năng làm cứng và độ bền khi có.
Ni (niken)	dấu vết-thấp	dấu vết-thấp	Độ dẻo dai và sức bền ở nhiệt độ thấp khi được thêm vào.
Mo (molypden)	≤0,1% (thỉnh thoảng được thêm vào)	≤0,1% (thỉnh thoảng được thêm vào)	Cải thiện khả năng làm cứng và chống rão.
V (vanadi)	hợp kim vi mô (ppm–0,1%)	hợp kim vi mô (ppm–0,1%)	Kết tủa cacbua/nitrit để tăng cường độ bền; cải thiện độ tinh khiết của hạt.
Nb (niobi)	hợp kim vi mô (ppm–0,05%)	hợp kim vi mô (ppm–0,05%)	Kiểm soát quá trình kết tinh lại trong TMCP, tăng năng suất thông qua việc tăng cường kết tủa.
Ti (titan)	hợp kim vi mô có thể xảy ra (ppm)	hợp kim vi mô có thể xảy ra (ppm)	Kiểm soát N, làm mịn hạt.
B (bo)	dấu vết (nếu sử dụng)	dấu vết (nếu sử dụng)	Những chất bổ sung rất nhỏ sẽ làm tăng khả năng tôi luyện.
N (nitơ)	được kiểm soát (ppm)	được kiểm soát (ppm)	Ảnh hưởng đến kết tủa; kết hợp với Ti/Nb để tạo thành nitrua tăng cường độ.

Tóm tắt chiến lược hợp kim: - Q355 thường được sản xuất với hàm lượng cacbon và Mn vừa phải và dựa vào quá trình cán và/hoặc chuẩn hóa có kiểm soát để đạt được sự cân bằng về độ dẻo, độ dai và độ bền. - Q390 thường sử dụng hóa học cơ bản tương tự nhưng có thể kết hợp hợp kim vi mô cao hơn hoặc Mn/khả năng làm cứng được điều chỉnh nhẹ để đạt được năng suất tối thiểu cao hơn trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai—thường đạt được bằng quá trình xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP) và kết tủa hợp kim vi mô thay vì tăng đáng kể hàm lượng cacbon.

3. Cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt

• Cấu trúc vi mô điển hình:
• Q355: ma trận ferit-pearlit cho các sản phẩm cán nóng hoặc chuẩn hóa thông thường; ferit mịn hơn và phân tán các kết tủa hợp kim siêu nhỏ khi sử dụng TMCP.

• Q390: ferit hạt mịn hơn với tỷ lệ bainit được kiểm soát trong một số sản phẩm TMCP; quá trình tăng cường lượng mưa được kiểm soát nhiều hơn từ Nb/V/Ti thường giúp tăng năng suất mà không làm giảm độ dẻo dai.

• Hiệu ứng xử lý nhiệt và chế biến:

• Chuẩn hóa giúp tinh chỉnh kích thước hạt, cải thiện độ dẻo dai và đồng nhất cấu trúc—được sử dụng khi cần cải thiện các đặc tính va đập.
• Làm nguội và ram không phải là phương pháp điển hình cho các dạng sản phẩm kết cấu Q355/Q390 tiêu chuẩn nhưng có thể được sử dụng cho các tấm hoặc các thành phần tùy chỉnh để đạt được độ bền cao hơn và độ dẻo dai phù hợp.

• TMCP (xử lý nhiệt cơ học có kiểm soát) là phương pháp chung cho cả hai loại thép này để đạt được độ bền cao và độ dẻo dai tốt ở nhiệt độ thấp thông qua quá trình cán có kiểm soát, làm nguội nhanh và kết tủa hợp kim vi mô—đặc biệt hiệu quả đối với Q390 để đạt được mục tiêu năng suất cao hơn mà không làm tăng đáng kể lượng carbon.

• Lưu ý thực tế: Cả hai loại đều được thiết kế cho điều kiện cán hoặc chuẩn hóa; xử lý nhiệt tôi cứng hoàn toàn thường không cần thiết và có thể làm giảm khả năng hàn và độ dẻo nếu không kiểm soát quy trình chính xác.

4. Tính chất cơ học

Bảng sau đây trình bày các phạm vi đặc tính cơ học tiêu biểu thường gặp ở các sản phẩm tấm và cuộn thương mại. Các giá trị này phụ thuộc vào độ dày, nền móng (A/B/C/D/E) và quy trình xử lý—luôn kiểm tra bằng chứng nhận thử nghiệm của nhà cung cấp.

Tài sản	Q355 (điển hình, mang tính chỉ dẫn)	Q390 (điển hình, mang tính chỉ dẫn)
Độ bền kéo tối thiểu (MPa)	~355 MPa	~390 MPa
Độ bền kéo (MPa)	~470–630 MPa (thay đổi tùy theo độ cứng và độ dày)	~490–650+ MPa (thay đổi tùy theo độ cứng và độ dày)
Độ giãn dài (A%)	Phạm vi độ dẻo cao hơn; ví dụ, điển hình là 20%+ đối với các tấm mỏng hơn	Giảm nhẹ so với Q355; ví dụ, thường từ mức thấp đến trung bình đến 20% tùy thuộc vào sản phẩm
Độ bền va đập Charpy	Tốt (nếu được chỉ định và sản xuất với TMCP/chuẩn hóa phù hợp)	Cần chú ý nhiều hơn đến quá trình xử lý để đáp ứng cùng một thông số kỹ thuật tác động—có thể nhưng phải được xác minh
Độ cứng (HB/HRB)	Vừa phải	Nói chung cao hơn một chút để đáp ứng sức mạnh

Giải thích: - Q390 là loại thép có độ bền cao hơn (giới hạn chảy cao hơn và thường có độ bền kéo cao hơn) theo thông số kỹ thuật. Để đạt được điều này đòi hỏi phải kiểm soát cấu trúc vi mô, điều này có thể làm giảm nhẹ độ dẻo và nếu không được kiểm soát, có thể ảnh hưởng đến độ bền va đập - đặc biệt là đối với các tiết diện dày hơn hoặc nhiệt độ làm việc thấp hơn. - Q355 thường dẻo hơn và dễ chế tạo hơn, dễ đạt được độ dẻo dai quy định cho các phần dày hơn.

5. Khả năng hàn

Các yếu tố chính: hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương, độ dày và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim vi mô.

Các chỉ số thực nghiệm hữu ích (diễn giải và sử dụng một cách định tính; tính toán với hóa học thực tế để đánh giá quy trình hàn): - Viện Hàn Quốc tế tương đương cacbon: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm để đánh giá khả năng hàn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả Q355 và Q390 đều được thiết kế để có khả năng hàn tốt hơn so với thép dụng cụ có hàm lượng cacbon cao hơn; tuy nhiên, mục tiêu về độ bền cao hơn của Q390 thường có nghĩa là khả năng làm cứng cao hơn một chút (từ Mn hoặc hợp kim vi mô), có thể làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ so với Q355. - Ý nghĩa thực tiễn: - Nhiệt độ nung nóng trước và nhiệt độ giữa các lớp hàn có thể cần cao hơn đối với các phần Q390 dày để tránh nứt nguội. - Vật liệu hàn và lựa chọn quy trình (độ bền phù hợp, độ dẻo dai của kim loại hàn phù hợp) phải được xác định bằng cách đánh giá quy trình sử dụng các giá trị MTC thực tế. - Xử lý nhiệt sau khi hàn hiếm khi cần thiết đối với các phần mỏng nhưng có thể cần thiết đối với các mối hàn dày hoặc khi có các điều kiện dịch vụ quan trọng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả Q355 và Q390 đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn là đặc trưng của thép cacbon.
• Các phương pháp bảo vệ phổ biến:
• Mạ kẽm nhúng nóng để bảo vệ lâu dài khỏi tác động của khí quyển.
• Hệ thống sơn, sơn lót và lớp phủ phù hợp với môi trường (biển, công nghiệp, nông thôn).
• Lớp phủ hoặc kim loại hóa cho môi trường khắc nghiệt.
• Nếu cần tính chất chống gỉ hoặc chống ăn mòn, hãy chọn hợp kim thép không gỉ phù hợp; PREN không áp dụng cho Q355/Q390. Để tham khảo, PREN cho hợp kim thép không gỉ là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Làm rõ: PREN không liên quan đến thép HSLA cacbon thông thường—hãy sử dụng các chiến lược phủ hoặc hợp kim chống ăn mòn thay thế.

7. Chế tạo, khả năng gia công và khả năng định hình

• Cắt: Cả hai loại đều có thể dễ dàng cắt bằng oxy-nhiên liệu, plasma và laser; chất lượng cạnh và tỷ lệ cắt phụ thuộc vào độ dày và phương pháp cắt.
• Tạo hình/uốn cong: Q355 thường có khả năng tạo hình tốt hơn (bán kính uốn tối thiểu lớn hơn) do giới hạn chảy danh nghĩa thấp hơn. Q390 có thể tạo hình nhưng cần bán kính uốn lớn hơn hoặc thực hiện các phương pháp tạo hình gia tăng để tránh nứt; độ đàn hồi tăng theo cường độ.
• Khả năng gia công: Độ bền cao hơn (và hợp kim vi mô đi kèm) ở Q390 có thể làm giảm nhẹ khả năng gia công so với Q355; hãy chọn dụng cụ và tốc độ cho phù hợp.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều áp dụng phương pháp xử lý bề mặt thông thường (phun cát, sơn lót, sơn); hàn và chế tạo có thể làm thay đổi tính chất cục bộ và cần chú ý kiểm soát biến dạng.

8. Ứng dụng điển hình

Q355 — Công dụng phổ biến	Q390 — Công dụng phổ biến
Kết cấu dầm, cột, cầu có yêu cầu về cường độ tiêu chuẩn	Các cấu trúc cần giảm trọng lượng thông qua các phần mỏng hơn ở độ dẻo cao hơn
Chế tạo thép nói chung, khung, giá đỡ, bể chứa (không chịu áp suất)	Khung máy móc hạng nặng cần có độ bền trên trọng lượng cao hơn
Các kết cấu hàn có độ bền cao và khả năng hàn tốt được ưu tiên	Đường ray cần cẩu, các thành phần khung gầm chịu tải trọng cao và thiết kế tối ưu hóa mô đun tiết diện
Ống và thanh định hình cho xây dựng chung (khi được chỉ định)	Các ứng dụng đòi hỏi phải tăng năng suất với độ dẻo dai được kiểm soát thông qua TMCP

Cơ sở lựa chọn: - Sử dụng Q355 khi độ dẻo, khả năng hàn và chi phí là những mối quan tâm chính và tải trọng thiết kế được đáp ứng bằng giới hạn chảy 355 MPa. - Sử dụng Q390 khi giới hạn chảy tối thiểu cao hơn cho phép giảm kích thước hoặc trọng lượng tiết diện và khi quy trình chế tạo và quy trình hàn được kiểm soát để đảm bảo độ dẻo dai và tránh nứt.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Q390 thường đắt hơn Q355 một chút trên mỗi tấn do quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn và khả năng có thêm hợp kim vi mô. Mức chênh lệch giá thay đổi tùy theo thị trường, nhà cung cấp và dạng sản phẩm.
• Tình trạng hàng tồn kho: Q355 được dự trữ phổ biến hơn và có sẵn với nhiều hình dạng và độ dày sản phẩm hơn. Tình trạng hàng tồn kho của Q390 phụ thuộc vào sản lượng nhà máy khu vực và nhu cầu của khách hàng; thời gian giao hàng có thể kéo dài đối với các loại thép tấm có độ dày không phổ biến hoặc có dung sai cao.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	Câu hỏi 355	Câu 390
Khả năng hàn	Rất tốt (dễ tha thứ hơn)	Tốt, nhưng cần chú ý nhiều hơn (khả năng làm cứng cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai và độ bền tốt cho nhiều ứng dụng	Độ bền cao hơn, đòi hỏi phải kiểm soát quy trình để phù hợp với độ dẻo dai
Trị giá	Thấp hơn (nói chung)	Cao hơn (nói chung)

Sự giới thiệu: - Chọn Q355 nếu bạn cần thép kết cấu tiết kiệm chi phí, có khả năng hàn đáng tin cậy, độ dẻo cao hơn và khả năng cung cấp rộng rãi—lý tưởng khi năng suất thiết kế cho phép tối thiểu 355 MPa và dễ chế tạo là điều quan trọng. - Chọn Q390 nếu bạn cần năng suất tối thiểu cao hơn để giảm kích thước hoặc trọng lượng tiết diện và sẵn sàng kiểm soát quá trình xử lý, quy trình hàn và có thể là các điều kiện gia nhiệt trước/chuyển tiếp để duy trì độ dẻo dai cần thiết—lý tưởng cho các kết cấu chịu tải trọng cao, trong đó độ bền vật liệu mang lại lợi thế rõ ràng về thiết kế hoặc trọng lượng.

Lưu ý thực tế cuối cùng: Luôn xác nhận thành phần hóa học chính xác và các tính chất cơ học từ chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy và đảm bảo quy trình hàn đủ tiêu chuẩn cho lô vật liệu thực tế, độ dày và điều kiện sử dụng dự kiến.